Transistor als Schalter

Ein Mikrocontroller kann an seinen Pins einige Milliampere bei 3,3 V oder 5 V liefern. Ein Relais, ein Lüfter, ein Summer oder ein LED-Streifen brauchen mehr Strom oder eine höhere Spannung. Die einfachste und billigste Brücke dazwischen ist ein einzelner Transistor als Schalter: ein paar Cent für das Bauteil, zwei Widerstände, bei Spulen noch eine Diode. Damit diese Stufe zuverlässig funktioniert, musst du sie aber bewusst auslegen – mit dem ungünstigsten Exemplar, der richtigen Übersteuerung und einem Plan für die Abschaltspitze.

Dieser Artikel führt dich am NPN-Transistor als Low-Side-Schalter durch die Rechnung. Das Prinzip gilt sinngemäß auch für den PNP-Transistor auf der High-Side und, mit anderen Kennwerten, für den MOSFET.

Das Prinzip

Ein Schalter soll zwei Zustände haben: ganz offen und ganz geschlossen. Der Transistor schafft beides:

• Aus: Liegt an der Basis weniger als etwa 0,5 V, fließt kein Basisstrom, der Transistor sperrt. Über ihm liegt die volle Versorgungsspannung, der Strom ist praktisch null.
• Ein: Bekommt die Basis deutlich mehr Strom als für den Laststrom nötig, sättigt der Transistor. Über ihm bleiben nur 0,1 bis 0,3 V, die Last bekommt fast die volle Spannung.

In beiden Zuständen ist das Produkt aus Spannung und Strom am Transistor klein – er bleibt kalt. Warm wird er nur im Zwischenbereich, dem Verstärkerbetrieb. Diesen Zustand musst du vermeiden; was dabei im Kristall passiert, steht unter Übersteuerung und Sättigung.

Auslegung in fünf Schritten

1. Laststrom bestimmen. Aus dem Datenblatt der Last oder mit dem ohmschen Gesetz: I_C = U_B / R_L. Damit wählst du einen Transistor mit genügend I_C und U_CEO.
2. Kleinste Stromverstärkung ablesen – beim tatsächlichen Laststrom, nicht beim Messpunkt von 2 mA. Bei vielen Typen fällt h_FE zu hohen Strömen deutlich ab.
3. Basisstrom mit Übersteuerung: I_B = ü · I_Ch_FE,min ü = 2 … 5
4. Basiswiderstand: Die Steuerspannung U_St minus die Basis-Emitter-Spannung fällt an R_B ab, genau wie bei einem Vorwiderstand: R_B = U_St − U_BEI_B Den Wert rundest du auf den nächstkleineren Normwert der E-Reihe ab, damit der Basisstrom nicht unter den berechneten fällt.
5. Prüfen: Verlustleistung im Transistor, Strom aus dem Steuerpin, bei induktiven Lasten die Freilaufdiode.

Durchgerechnet: Relais an einem 3,3-V-Pin

Ein ESP32 soll ein gängiges 5-V-Relais schalten. Die Spule hat 70 Ω.

Rechne deine eigene Stufe mit dem Rechner nach:

Der Widerstand von Basis nach Emitter

Der zweite Widerstand R_BE (typisch 10 kΩ bis 100 kΩ) wird oft weggelassen und fehlt dann im falschen Moment. Er sorgt dafür, dass der Transistor sicher sperrt,

• solange der Mikrocontroller bootet und seine Pins noch hochohmig sind – sonst zieht das Relais beim Einschalten kurz an,
• wenn das Steuerkabel lang ist oder abfällt und die Basis sonst Störungen einfängt,
• und er räumt beim Abschalten die Basis schneller aus.

Er kostet nur einen kleinen Teil des Basisstroms, den du in Schritt 4 berücksichtigst.

Induktive Lasten und die Freilaufdiode

Relais, Magnetventile, Motoren und Lautsprecher sind Spulen. Eine Spule will ihren Strom beibehalten (siehe Spule an Gleichspannung). Schaltet der Transistor ab, treibt sie den Strom weiter und erzeugt dafür jede Spannung, die nötig ist – am Kollektor entstehen Spitzen von vielen zehn bis einigen hundert Volt, bis der Transistor durchbricht. Einmal überlebt er das vielleicht, nach einigen tausend Schaltspielen nicht mehr.

Die Freilaufdiode parallel zur Spule, mit der Kathode an Plus, gibt dem Strom einen Weg: Er kreist durch Spule und Diode und klingt ab. Die Kollektorspannung steigt nur auf die Versorgung plus Diodenspannung, im Beispiel etwa 5,7 V. Die Diode muss den Spulenstrom kurz tragen können; für kleine Relais reicht eine 1N4148, für Motoren nimmst du eine 1N4007 oder eine Schottky-Diode.

Weitere Lasten

• LEDs: Der Strom wird von einem Vorwiderstand bestimmt, nicht vom Transistor. Rechne den Vorwiderstand mit der Versorgung minus LED-Spannung minus U_CE(sat), zum Beispiel mit dem Rechner LED-Vorwiderstand.
• Glühlampen (ungünstigster Fall): Der kalte Faden hat nur etwa ein Zehntel seines Betriebswiderstands. Eine 12-V-Lampe mit 5 W zieht im Betrieb 5 W / 12 V ≈ 0,42 A, beim Einschalten für einige Millisekunden rund 4 A. Lege den Basisstrom so aus, dass der Transistor auch diesen Spitzenstrom noch weitgehend sättigt, oder nimm einen MOSFET.
• Motoren: Auch beim Anlauf oder Blockieren fließt ein Vielfaches des Nennstroms. Dazu kommen Freilaufdiode und Entstörkondensator.
• Viele Kanäle: Für sieben Relais nimmst du statt sieben Einzeltransistoren einen ULN2003. Er enthält sieben Darlington-Transistoren samt Basiswiderständen und Freilaufdioden; seine Restspannung von rund 1 V solltest du einplanen.

Bipolar oder MOSFET?

Für Lasten bis einige hundert Milliampere ist der Bipolartransistor oft die billigste und robusteste Lösung; er schaltet schon ab 0,7 V an der Basis, also mit jeder Logik. Ab etwa 0,5 bis 1 A wird der Basisstrom unbequem groß, die Sättigungsspannung steigt und mit ihr die Wärme (Wärme und Kühlung). Dann ist ein Logic-Level-MOSFET die bessere Wahl: Er braucht im eingeschalteten Zustand keinen Steuerstrom, und sein Einschaltwiderstand liegt bei wenigen Milliohm bis einigen zehn Milliohm.

Häufige Fehler

• Mit typischem statt kleinstem h_FE gerechnet: Funktioniert mit dem Exemplar auf dem Tisch, aber nicht mit dem in der Serie.
• h_FE beim falschen Strom abgelesen: Der BC547 garantiert 200 bei 2 mA, bei 100 mA ist deutlich weniger übrig.
• Basiswiderstand aufgerundet: Der Basisstrom fällt dann unter den berechneten Wert.
• Freilaufdiode vergessen oder verpolt: Vergessen zerstört auf Dauer den Transistor; verpolt schließt sie die Versorgung kurz, sobald der Transistor einschaltet.
• Pull-down fehlt: Das Relais zuckt beim Einschalten des Controllers.
• Massen nicht verbunden: Hat die Last eine eigene Versorgung, muss deren Masse mit der Masse des Controllers verbunden sein – sonst fehlt der Rückweg für den Basisstrom.

Selbsttest